四川梓潼金龍村邊坡地震穩定性分析

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(1.江蘇省地質工程勘察院，江蘇南京211102； 2．山東正元建設工程有限責任公司，山東濟南250014)

四川梓潼金龍村邊坡地震穩定性分析

劉加才1，張戰勝2

(1.江蘇省地質工程勘察院，江蘇南京211102； 2．山東正元建設工程有限責任公司，山東濟南250014)

金龍村邊坡位于四川省梓潼縣境內，汶川縣東，距離汶川地震中心約150 km。通過現場調查，分析了地形、地貌條件和地震等因素對該邊坡穩定性的影響。發現滑動面位于土層與基巖的接觸面，采用極限平衡法和數值分析法對邊坡的穩定性進行了計算，2種計算得到的穩定性結果較為接近。采用動力時程分析法計算得到了邊坡位移與加速度變化的關系。

穩定性評價；地震；變形機制；FLAC軟件；強度折減；四川梓潼

0 引 言

2008年5月12日，在青藏高原東緣龍門山地區發生了汶川8.0級強烈地震，地震破裂時間80s,地震影響范圍超過131 900 km2。金龍村滑坡位于汶川正東側約150 km處。邊坡前緣有2個約3 500 m3的池塘(圖1)，后緣為街道和民房等重要建筑。2008年5月12日汶川大地震后，研究區的邊坡體有蠕動變形跡象，坡頂建筑物發生多處開裂。區內人口密集，滑坡體一旦失穩發生滑坡，將直接威脅數百戶居民及幼兒園等近700人的生命財產安全，并影響城鎮道路交通、集市、衛生所、學校的正常運行。

基于對金龍村滑坡詳細的工程地質調查，并結合室內巖土體物理力學性質試驗，對該邊坡的地震穩定性進行了研究。并采用極限平衡法和時程分析法對邊坡地震條件下的變形和穩定性進行了計算。

1 地質條件

1.1 地形、地貌

場地地貌類型為構造剝蝕的低山地貌，山頂海拔高程600 m左右，溝谷切割深度100～150 m，坡度約20°～30°，谷寬100～200 m。金龍村滑坡位于走向45°的山脊西南側，滑坡坡向234°～254°，走向呈近南北向展布，滑坡坡度10°～25°，場地地形條件見圖1。

圖1 邊坡地形圖

1.2 地層、巖性

勘查階段共布置10個鉆孔，根據地形圖和鉆探結果發現，邊坡地層主要以第四系殘、坡積土及下伏劍閣組泥質粉砂巖或粉砂質泥巖為主，其中剖面1—1′見圖2。

圖2 勘查剖面圖

(1) 含碎石粉質黏土：棕紅色，土體結構稍密-中密，稍濕-干燥，土質較均勻，上覆薄層耕植土，灰褐色，見植物根系。鉆孔揭露其厚度為1.50～4.80 m。局部夾該層主要分布于滑坡體表面，碎石巖性為鈣質長石砂巖，質量分數約為10%～20%；其次為殘坡積黏土層，多為飽和狀態，可塑—軟塑，抗剪強度低，屬中—高壓縮性土，局部含少量砂巖風化顆粒。

(2) 粉砂質泥巖：棕紅色粉砂質泥巖，泥質結構，層狀構造，巖層產狀64°∠2°～5.5°，反傾。泥巖成分主要為黏土，泥質膠結，巖芯多呈短柱狀，強度較低，在區內廣泛分布，是組成滑坡體和基巖的主要巖體，全風化—中風化。上部為全風化—強風化，巖體破碎，基本呈土狀，厚度5～10 m，平均厚度7 m。下部為中風化，巖體內節理、裂隙發育，巖體較破碎。

(3) 泥質粉砂巖：淺灰色厚層-塊狀泥質粉砂巖，泥質結構，層狀、塊狀構造，巖層產狀64°∠2°～5.5°，反傾。砂巖主要礦物成分為石英和長石，主要為泥質、鈣質膠結，中等風化，巖芯多呈短柱狀，巖體較完整，與泥巖呈互層狀分布。鉆探過程中未見底，區內廣泛分布。

根據現場調查和室內外試驗得不同巖土層的物理性質指標(表1)和力學性質指標(表2)。

表1 土的物理性質指標

表2 巖土力學參數

1.3 地質構造

金龍村邊坡場地位于四川盆地北端，金龍場背斜北翼，背斜走向NE 40°～60°，樞紐傾角3°～20°。場地附近未發現大的斷裂構造。場地調查發現巖體中發育2組節理，第一組走向NE 40°～ 60°，傾角約50°，節理間距約0.05～0.2 m；另一組走向N 330°～340°W，傾角約60°，節理間距約0.1～0.3 m。節理面粗糙，張開度一般小于2 mm，大多閉合。

1.4 水文、氣象

根據勘查區內地下水含水界質的不同，區內地下水類型包括松散層孔隙水和基巖裂隙水2類，地下水位與池塘內水位持平。(1) 松散層孔隙水：主要分布在人工填土、黏性土中，結構松散，易于大氣降雨的入滲，地下水主要靠大氣降水補給，其排泄方式為沿斜坡向地勢低洼處排泄。(2) 基巖裂隙水：含水層巖性為白堊系下統的砂、泥巖。地下水的賦存、富集、埋藏及運動等條件，受到構造裂隙、構造部位、巖性、微地貌及降雨等因素的影響，地下水富水性較差，接受坡面徑流和降雨補給，在臺坎坡腳處泄出。

勘查期間，鉆孔水位埋深3.03～12.85 m，相應標高為471.18～481.99 m。場地屬中國東南亞熱帶季風氣候區，降水充足，氣候溫和，日照充沛，四季分明；春早，夏長，秋短，冬暖，多秋綿雨，汛期集中。多年平均氣溫16.5 ℃，最高年均氣溫16.8 ℃，最低年均氣溫15.6 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，最低氣溫為-6.7 ℃。縣境多年平均降雨量902.4 mm，降雨量主要集中在5—9月，占全年降雨量的84%。全年以7月份降雨最多，為258.3 mm，12月最少，幾乎無降雨。

1.5 地震

受汶川地震影響，金龍村邊坡表面多處被發現有活動跡象，邊坡發生了蠕動變形，雖未發生整體滑動，但由于其重要性，必須對穩定性進行詳細研究，并采取適當的處置措施。該邊坡位置與汶川地震中心位置關系見圖3(周國良等，2008)，場地地震烈度達Ⅶ度，所以地震對邊坡的影響不容忽視。

圖3 汶川地震烈度分布圖

2 滑坡特征

2008年5月12日，汶川地震使梓潼縣城內建筑物遭受一定的破壞；山體淺表層被松動，出現山體滑塌、崩落破壞。據了解，金龍村滑坡30多年來多次發生蠕動變形，并受汶川地震的影響，表層土體局部發生蠕滑、堡坎鼓脹變形，堡坎上方的房屋產生裂縫。巖土體的滲透性較好，有利于降水的滲入，使巖土體軟化，抗剪強度降低，由于前期蠕滑，造成巖土體臨空條件好，在重力的作用下沿裂縫產生滑動變形。

汶川地震使滑坡區內建筑物等發生了不同程度的破壞，并伴隨地表出現小裂縫。整個滑坡坡面無系統的降排水系統，城鎮生活廢水及雨水在整個坡面上隨意流淌，不斷地風化坡面巖土體，并軟化了強風化粉砂質泥巖，誘發了滑坡，下部基巖(泥巖)中未見有明顯裂縫。

根據現場調查，共發現坡面有9處大的明顯變形跡象點(圖1)。坡體前緣和后緣房屋產生裂縫，堡坎發生鼓脹變形，地表局部錯動距離達40 cm以上。坡面電線桿發生傾斜，坡體有馬刀樹，前緣池塘亦由于蠕變不斷縮小，個點具體變形特征及趨勢見表3。

表3 滑坡變形特征

通過調查，結合鉆探資料和邊坡變形破壞特征及巖層產狀分析，滑動面應沿裂縫向下延伸，沿粉質黏土與強風化泥巖界面產生折線滑動(圖2)。滑動面所處地層主要為全—強風化泥巖，主要成分為黏土礦物，可塑，含少量巖石碎塊，透水性一般。變形破壞是由于表層土體受到風化，結構松散，降水易滲入、浸潤，導致抗剪強度降低，土層與基巖面土體軟化形成軟弱夾層，使巖土體沿軟弱夾層發生蠕滑變形。

3 邊坡穩定性分析

3.1 極限平衡法

邊坡巖土體的特性，需要選擇不同的極限平衡分析法，由于所研究邊坡的滑動面為不規則的折線形，故采用Janbu法對邊坡的穩定性進行計算。可以看出，該邊坡的穩定性主要受粉質黏土控制，粉質黏土的強度參數對評價邊坡的穩定性非常關鍵。現場調查發現，地震活動過程中，剖面1—1′位置處的滑動特征最為明顯，在地震加速度約為0.1g時，該剖面處的穩定性系數接近于1.0，根據這一關系，可根據Janbu法得到該條件下的滑動面上粉質黏土的內聚力(c)和摩擦角(φ)的關系(圖4)。當摩擦角為12°時，內聚力為18.5 kPa，與表2中的試驗結果接近，故可認為粉質黏土的試驗結果可靠。

圖4 強度參數反算結果

計算過程中，考慮不同地震加速度對邊坡穩定性的影響，穩定性系數與峰值加速度關系計算結果見圖5。3個不同剖面的穩定性計算結果顯示，峰值加速度對穩定性影響很大。其中剖面1—1′穩定性系數最低，正常情況下(不考慮地震)其穩定性系數為1.33，當地震加速度為0.08g時，邊坡接近臨界狀態。剖面2—2′位置處穩定性受地震影響最大，但該處穩定性是3個剖面中最高的，當峰值加速度達到0.24g(相當于8°)時，其穩定性系數為1.36，而該地震烈度條件下，剖面3—3′的穩定性系數為1.04，表明在此條件下，邊坡可能發生破壞。現場調查發現，在剖面1—1′和3—3′附近發生變形的跡象最為明顯，計算結果與現場調查結果一致。

圖5 穩定性系數隨地震加速度變化結果

3.2 數值模擬

3.2.1 靜態分析 采用有限差分數值分析軟件(FLAC)對金龍村邊坡穩定性進行計算。由于剖面1—1′處穩定性最低，故數值分析中選取該剖面進行計算。有限差分網格見圖6，模型長140 m，高50 m。

圖6 計算網格圖

假設邊坡巖土體為彈塑性材料，滿足M-C屈服準則，坡體由粉質黏土、強風化泥巖、中風化泥巖和中風化粉砂巖組成。計算過程中，模型左、右邊界水平向約束，底部邊界固定，地表自由。簡化起見，材料視為均質各向同性，穩定性問題被看作2維平面應變問題。計算過程中首先對不考慮地震條件(靜態條件)下的邊坡穩定性進行分析，采用強度折減法(Duncan，1996)計算得邊坡的穩定性系數，強度折減后坡體內塑性區分布結果見圖7，可以看出，在粉質黏土和下伏粉砂質泥巖界面上發生了剪切錯動，所以，滑動位于該接觸面的假設是合理的。

圖7 計算的塑性區分布圖

強度折減法計算結果表明，該邊坡穩定性系數為1.42，坡面水平位移大于坡腳處，破壞面由坡趾處向上擴展，直至坡頂。邊坡發生剪切破壞，坡面發生拉裂破壞，并形成拉裂隙，所以可推斷，如遇到不利條件(如強降雨或較高烈度的地震)，邊坡可能發生進一步變形。坡面拉裂隙與滑動方向近垂直，粉質黏土后側下部泥巖失去支撐，也可能發生拉裂破壞。3.2.2 動力分析 采用極限平衡法計算邊坡穩定性系數時，往往只考慮水平地震力對邊坡穩定性的影響，并且總是認為地震力方向一直與滑動方向一致，所以，地震力對滑體的影響總是增大下滑力的同時也減小抗滑力。而在實際地震活動過程中，地震加速度的方向是不斷變化的，所以地震力對邊坡穩定性的影響是在有利、不利之間不斷變化，近似成周期性(跟地震波的周期性有關)。在擬靜力極限平衡分析中，垂直的地震力往往被忽略，而只考慮地震過程中加速度最大值對邊坡的影響。數值分析法在計算過程中，可以通過輸入地震加速度時程來分析整個地震持續過程中，地震力對巖土體變形和穩定性的影響。本次研究采用的數值分析程序在計算過程中允許材料發生屈服及大塑性變形，可以模擬巖土的力學性能，尤其在彈塑性分析、大變形分析方面有其獨到的優點。可以通過在模型邊界或內部節點施加動載荷來模擬材料受到外部或內部動力作用下的反應。程序允許輸入的動力荷載可以是加速度時程、速度時程、應力時程和集中力時程。為了盡可能全面反映地震對邊坡穩定性影響的效果，數值分析考慮 2 種情況：(1)只考慮水平地震加速度的影響；(2)水平和垂直地震加速度同時考慮。計算輸入的地震加速度采用汶川地震發生時記錄的地震加速度時程作為輸入數據(圖8)。地震持續時間40s，時間步為0.02s，峰值加速度為0.3g。垂直加速考慮為水平加速度的2/3倍(Sun et al, 2012)。

圖8 輸入加速度時程

動態分析時，采用靜態計算所得應力、應變結果作為動態分析的初始條件。采用自由與邊界以減小反射波的影響。在不同的阻尼形式中，瑞利阻尼理論與常規動力分析方法類似。實踐證明，瑞利阻尼計算得到的加速度響應規律比較符合實際，所以在計算時采用瑞利阻尼模型，阻尼值選0.05，加速度時程作用于模型底部。當施加動力邊界條件后，邊界上原先的靜力邊界條件將被自動去掉，在動力荷載施加期間，程序始終自動計算邊界上的作用力。

采用FLAC軟件進行計算過程中，可對整個動力變化過程中巖土體內不同位置處的應力、位移、孔隙壓力等變量進行監測，這里僅給出坡趾處的位移時程結果(圖9)，該位移結果為整個地震過程中的監測點的累積位移結果。當只考慮水平地震時，計算結果發現，當地震持續到2.84s時，由于網格發生大的變形，地震引起較大的不平衡力，計算停止，表明邊坡已破壞。監測點處永久位移超過1.0 m，表明滑坡發生于地震后2.84s時，對應地震加速度為0.78 m/s2，表明當計算中僅考慮水平地震力對邊坡穩定性的影響，時程分析計算結果與極限平衡計算結果較為接近。當同時考慮水平和垂直地震加速度的影響時，上述類似現象發生在6.45s時刻，對應地震加速度為1.51 m/s2。動力分析結果表明，垂直地震加速度對邊坡的變形和穩定性有較大的影響。對金龍村邊坡而言，當地震烈度為Ⅶ度時，邊坡極有可能發生滑動。相較極限平衡法而言，數值分析法能對整個地震過程進行跟蹤，其計算結果不僅能反應巖土體的穩定性特性，也能反應介質中不同點的變形和應力變化特性，比極限平衡法只考慮最大地震加速度作用的方法更為接近真實狀態。

圖9 坡趾處動力位移時程曲線

4 結 論

(1) 極限平衡法計算結果表明，金龍村邊坡穩定性受地震加速度的影響最大處位于剖面1—1′附近，當峰值加速度達到0.08g時，邊坡達到臨界狀態。

(2) 在不利條件(如地震、強降雨)下，金龍村邊坡發生滑坡的可能性極大，滑動面位于粉質黏土與基巖接觸面，發生滑動后，滑體和后緣巖體內可能發生拉裂破壞。

(3)當考慮相同地震條件時，數值法與極限平衡法關于穩定性的計算結果比較接近，但數值法能對整個地震過程進行模擬。

(4)建議對該邊坡采取相應的監測措施，及時了解邊坡的變形跡象，在坡腳處設置支擋結構(如擋墻)以阻擋滑坡的發生，減小災害發生的概率。

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Analysis on slope seismic stability assessment of Jinlong Village in Zitong of Sichuan

LIUJia-cai1,ZHANGZhan-sheng2

(1.Geological Engineering Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing 211102, China; 2. Shandong Zhengyuan Construction Co Ltd, Jinan 250014, China)

Jinlong Village landslide was located in Zitong County, Sichuan and approximately 150 km east of Wenchuan. Field investigations indicated that the slope deformation was caused by the combined effects of unfavorable topographic and geological conditions and earthquakes. The sliding surface was along a contact between silty clay and mudstone. Wenchuan earthquake accelerated the creep, causing bulging of the ground surface. The factors of safety (FOS) were calculated using the limit equilibrium method (LEM) and the method of fast Lagrangian analysis of continua in 2 dimensions (FLAC). The results using the LEM indicated that the stability was clearly affected by seismic shaking, and when the PGA grew to 0.08 g, the slope reached the limit state. The shear failure surface given by numerical simulation developed on the contact between the clay and silty mudstone, which confirmed the assumed the location of sliding surfaces using LEM.

Stability assessment; Earthquake; Deformation mechanism; FLAC software; Strength reduction; Zitong, Sichuan

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.687

2013-11-25；

：2014-04-03；編輯：陸李萍

劉加才(1973— )，男，高級工程師，水工環專業，主要從事水工環及地熱地質研究工作, E-mail：liujc817@163.com

P642

：A

：1674-3636(2014)04-0687-06